中國(guó)的碳纖維產(chǎn)業(yè)研究可以追溯到上世紀(jì)60年代，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)化所李仍元先生和沈陽金屬研究所張名大先生在1962年就已經(jīng)開展碳纖維研究工作。

但是直到2000年，碳纖維的產(chǎn)業(yè)化仍未實(shí)現(xiàn)，并且由于國(guó)內(nèi)對(duì)碳纖維制備技術(shù)的久攻不下，各個(gè)研究單位逐漸開始出現(xiàn)信心不足的問題。各路研發(fā)人員都對(duì)“碳纖維”三個(gè)字都避而遠(yuǎn)之，此時(shí)正是碳纖維材料國(guó)產(chǎn)化研發(fā)最困難的低谷時(shí)期。

在此背景之下，戰(zhàn)略科學(xué)家、兩院院士師昌緒先生于2000年?duì)款^探討碳纖維產(chǎn)業(yè)化問題。

2001年初，師老向黨中央發(fā)送了“關(guān)于加速開發(fā)高性能碳纖維的請(qǐng)示報(bào)告”。2001年10月國(guó)家科技部決定設(shè)立碳纖維關(guān)鍵技術(shù)專項(xiàng)，代號(hào)304專項(xiàng)。

自此，中國(guó)正式進(jìn)入了碳纖維自主研發(fā)的快車道……

碳纖維在國(guó)外是如何火起來的？

19世紀(jì)末，英國(guó)人約瑟夫·斯旺和美國(guó)人托馬斯愛迪生因?qū)ふ腋牧紵襞轃艚z而發(fā)明了碳絲。盡管這種碳絲在當(dāng)時(shí)被價(jià)格更低廉的鎢絲取代，但這種碳化的纖維狀材料目前被認(rèn)為是碳纖維最早的萌芽期產(chǎn)品。

愛迪生

在隨后的歷史發(fā)展中，碳絲一直被認(rèn)為是燈絲優(yōu)化的失敗品，在工業(yè)與生產(chǎn)中沒有得到重視。

直到那個(gè)神奇的組織——美國(guó)航天局出現(xiàn)在歷史舞臺(tái)，這種耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、密度低的新型宇航材料，重新鏈接上現(xiàn)代文明，被命名為“碳纖維”（carbon fiber）。

正如尿不濕、氣墊鞋、脫水蔬菜都從美國(guó)航天局走向民用領(lǐng)域一樣，碳纖維作為美國(guó)航天局在材料界找到的“新歡”，自然也備受各家企業(yè)重視，看看能不能做第一個(gè)吃螃蟹的人，率先搶占市場(chǎng)，撈上一筆。

于是，美國(guó)聯(lián)合碳化合物公司UCC進(jìn)入了碳纖維研制行業(yè)，并于1959年研制出了世界上最早上市的黏膠基碳纖維材料Thornel-25。

在當(dāng)時(shí)，蘇美冷戰(zhàn)期間，各家軍備競(jìng)賽搞得飛起，你有飛機(jī)我上宇宙，你上宇宙我登月球。碳纖維作為一種性能優(yōu)異的航空航天與軍事領(lǐng)域材料，也得到了大規(guī)模應(yīng)用。

登月第一人：阿姆斯特朗

既然美國(guó)需要，那么就有日本制造。

在當(dāng)時(shí)，日本作為美國(guó)二戰(zhàn)最大的“戰(zhàn)利品”也開始了碳纖維的積極研究。

事實(shí)上，UCC的Thornel-25其實(shí)并不完美，碳纖維這種充滿科技感的名字在上個(gè)世紀(jì)五十年代就是鈔票的代名詞，根據(jù)當(dāng)時(shí)黃金的價(jià)格來計(jì)算，同等質(zhì)量的碳纖維比黃金還昂貴，妥妥的黑色黃金，高昂的造價(jià)成為了碳纖維當(dāng)時(shí)最大的痛點(diǎn)。

1961年，大阪工業(yè)試驗(yàn)所的進(jìn)藤昭男成功發(fā)明了聚丙烯腈（PAN）基碳纖維制備技術(shù)。

進(jìn)藤昭男

此前美國(guó)航天局的黏膠基纖維的炭化收率比較低，只有20%。也就是100公斤黏膠基纖維炭化完成后，只能得到20公斤的碳纖維。

按照黏膠基分子式，碳原子的比重要在44%左右，但是炭化的過程中，一半的碳原子與氧、氫、氮反應(yīng)。這同時(shí)也造成了黏膠基碳纖維性能較低，并不讓人滿意。

進(jìn)藤昭男利用PAN預(yù)氧化后具有熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)，也就是說炭化過程中，PAN纖維的碳原子化學(xué)活性不高，能很好的保持碳原子。

事實(shí)證明，近藤昭男的判斷是正確的，他開發(fā)出來的工藝路線炭化收率在50-60%之間，性能也遠(yuǎn)優(yōu)于黏膠基纖維。轉(zhuǎn)化率上來了，價(jià)格自然也就下來了，此后PAN迅速取代黏膠基，現(xiàn)在黏膠基碳纖維份額只有不到10%，而PAN基碳纖維則占據(jù)了80%以上的份額。

憑借一手聚丙烯腈原絲的制備技術(shù)，東麗成功走在了碳纖維制備的最前列。

隨后，在1971年，日本東麗公司（東レ、英文名稱‘Toray Industries, Inc）與美國(guó)聯(lián)合碳化合物公司合作生產(chǎn)了T300碳纖維，并在當(dāng)時(shí)實(shí)現(xiàn)了1噸/月的規(guī)模化量產(chǎn)。

隨后東麗公司沿著T300、T800、T1000不斷升級(jí)碳纖維的質(zhì)量，并開創(chuàng)性的將碳纖維材料加入到如球拍、釣竿、高爾夫球桿等體育用品中，在體育用品界成為了供不應(yīng)求的搶手貨。日本東麗也一舉成名，成為世界最大的碳纖維材料生產(chǎn)制造商。

碳纖維的廣泛應(yīng)用與技術(shù)封鎖

碳纖維的發(fā)展離不開背后的需求的擴(kuò)張。

1981年，波音公司提出需求高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)的碳纖維，以制造大型客機(jī)的一次結(jié)構(gòu)材料。

而日本東麗公司研發(fā)的T800H已是當(dāng)今制造大飛機(jī)(A380和B787)的主要增強(qiáng)纖維，M70J的拉伸模量高達(dá)690GPa，是目前PAN基石墨纖維中最高的。

除了以上物理性能之外，碳纖維還擁有不遜色于鉑金的耐腐蝕特性。

一種材料，比木頭輕、比鋼硬，還比鉑金耐腐蝕，那么它剩下的唯一缺點(diǎn)就是貴了。

由于制造工藝不夠成熟，早期碳纖維價(jià)格十分昂貴，基本只有軍工航天這些不差錢的領(lǐng)域用得起。

那么碳纖維既然作為一種可以被廣泛應(yīng)用于軍事航天領(lǐng)域的新型材料，那么各國(guó)也在碳纖技術(shù)上對(duì)中國(guó)進(jìn)行了嚴(yán)密的封鎖。

根據(jù)瓦森納協(xié)定，美國(guó)將抓捕一切與中國(guó)有關(guān)企圖購(gòu)買、販賣碳纖維的組織與個(gè)人，哪怕是一根釣魚竿，一支網(wǎng)球拍。

基于碳纖維在軍事、工業(yè)、航天的優(yōu)異性能，國(guó)家研發(fā)碳纖維的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫，中國(guó)專家組針對(duì)國(guó)內(nèi)的碳纖維發(fā)展階段與需求，明確PAN原絲作為突破口；設(shè)立PAN碳纖維獨(dú)立考評(píng)機(jī)制；構(gòu)筑共享公用的表征測(cè)試平臺(tái)；建立了戰(zhàn)略調(diào)研、專利和技術(shù)信息共享機(jī)制；形成以企業(yè)工程化研發(fā)為核心的體系。

除此之外，美國(guó)之所以愿意與日本共享碳纖維市場(chǎng)很大程度上在于日本掌握了聚丙烯腈原絲的制備工藝，而國(guó)產(chǎn)制造想要在碳纖維上有所建樹，就必須要提前布局聚丙烯腈碳纖維的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題研究。

為此，國(guó)家先后設(shè)立了多輪973專項(xiàng)，加速聚丙烯腈原絲相關(guān)領(lǐng)域的研究。

2002年，吉林石化公司和長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)承擔(dān)了吉林省重點(diǎn)高技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目“T300碳纖維及原絲的穩(wěn)定生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)”研究任務(wù)。

2004年，通過不斷的自主技術(shù)研發(fā)，我國(guó)科技人員一舉突破T300碳纖維及原絲的穩(wěn)定生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，并在吉林石化公司建成國(guó)內(nèi)唯一的可滿足軍工需要的年產(chǎn)10噸小絲束聚丙烯腈(PAN)原絲中試裝置，實(shí)現(xiàn)了PAN原絲的小規(guī)模連續(xù)穩(wěn)定性生產(chǎn)。

吉林石化

到2005年底，中國(guó)基本實(shí)現(xiàn)CCF-1級(jí)（相當(dāng)于日本東麗T300）碳纖維的工業(yè)化生產(chǎn)，并且開始向國(guó)防工業(yè)供貨。

目前，中國(guó)已經(jīng)建立起CCFM-550（M55J級(jí)）、CCF-4（T800級(jí)）、CCF-3（T700級(jí)）、CCF-1（T300級(jí)）的聚丙烯腈碳纖維制備技術(shù)研發(fā)（噸級(jí)試驗(yàn)線）、工程化（百噸級(jí)中試線）和規(guī)模產(chǎn)業(yè)化（千噸級(jí)生產(chǎn)線），規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)初具系統(tǒng)、規(guī)模應(yīng)用格局初步形成，成功解決了國(guó)產(chǎn)高性能碳纖維“有無”問題，緩解了國(guó)防建設(shè)對(duì)結(jié)構(gòu)材料用國(guó)產(chǎn)高性能碳纖維極為迫切的需求。

目前國(guó)內(nèi)的碳纖維發(fā)展境地

而面對(duì)日本近十幾十年來的技術(shù)封鎖，我國(guó)的民營(yíng)企業(yè)也是不甘落后。

1998年，威海光威從日本引進(jìn)建設(shè)了國(guó)內(nèi)首條寬幅碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn)線，開啟了國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料制造與應(yīng)用的先河。

2004年光威，首次成功的突破碳纖維量產(chǎn)線，甚至打破了國(guó)內(nèi)首條碳纖維產(chǎn)量生產(chǎn)線，打破了美日雙方近四十年的壟斷。

根據(jù)光威集團(tuán)董事長(zhǎng)陳亮回憶，光威原本主要靠漁具起家，但隨著碳纖維釣竿逐漸在漁具行業(yè)成為消費(fèi)主流，光威每年從日本進(jìn)口大量碳纖維材料用于魚竿制造。

而在2001年，隨著空客、波音等大飛機(jī)制造行業(yè)對(duì)碳纖維的需求快速增長(zhǎng)，日本碳纖維供給大量向航空領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，對(duì)于體育用品領(lǐng)域的供給變成了“通識(shí)性漲價(jià)，賞賜性供給”。

光威集團(tuán)：陳亮

碳纖維銷量走俏，日本廠商對(duì)國(guó)內(nèi)的碳纖維供給用陳亮的話說叫“全面漲價(jià)之外，高興才給你點(diǎn)，不高興就不給。”對(duì)于這種單邊霸權(quán)主義陳亮很難接受。

于是，光威就開始走上了自己造碳纖維的道路，從聚合釜開始，一步一步摸著石頭過河。此時(shí)的光威造碳纖只是為了造一根魚竿，沒有想到什么國(guó)家難題，但隨著消息越傳越遠(yuǎn)，師昌緒先生聞?dòng)嵹s來，對(duì)光威生產(chǎn)的碳纖維進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果性能完全達(dá)到了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

2005年4月，光威的碳纖維通過863計(jì)劃項(xiàng)目驗(yàn)收，CCF-1碳纖維達(dá)到同類產(chǎn)品世界先進(jìn)水平。

而就在幾年后，中國(guó)科研人員成功攻克最難核心技術(shù)，首次研發(fā)出國(guó)產(chǎn)碳纖維，并于2014年實(shí)現(xiàn)工程化生產(chǎn)。

而就在這一年為碳纖維研發(fā)做出貢獻(xiàn)的師昌緒先生，于11月10日因病離世。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了碳纖維的制造技術(shù)與工藝，但受困于品質(zhì)控制，國(guó)產(chǎn)碳纖維仍停留在初級(jí)領(lǐng)域，對(duì)于高性能PAN基碳纖維仍處于摸索階段。

目前中國(guó)是最大的碳纖出口國(guó)，同時(shí)也是最大的碳纖進(jìn)口國(guó)。

2020年，風(fēng)電領(lǐng)域用的碳絲大約85%依賴進(jìn)口。

國(guó)產(chǎn)碳纖維質(zhì)量難以提升的根本在于上游PAN原絲的制備工藝差異。PAN原絲作為碳纖維的主要制備材料，其質(zhì)量能夠在品質(zhì)、成本、和產(chǎn)量三方面影響碳纖維的生產(chǎn)制造。

對(duì)于現(xiàn)代碳纖維生產(chǎn)，要求喂入絲束數(shù)量在100以上，且細(xì)度均勻穩(wěn)固，而品質(zhì)較低的PAN原絲則會(huì)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)纏結(jié)、斷絲等情況，不僅難以穩(wěn)定生產(chǎn)，還加大了生產(chǎn)損耗，提高生產(chǎn)成本。

除此之外，高純度原絲可以將碳纖維的天然缺陷性降低到最小，而國(guó)產(chǎn)原絲的堿、堿土金屬、鐵都遠(yuǎn)高于國(guó)外原絲，在纖維碳化過程中雜質(zhì)逸走形成空隙，從而使制得碳纖維穩(wěn)定性不足。

總體而言，中國(guó)碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)主要集中在T300、T700系列，近90%的國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品仍屬于中低規(guī)格的通用型級(jí)別，難以滿足現(xiàn)代國(guó)防和高端工業(yè)領(lǐng)域的需求。

盡管國(guó)內(nèi)已經(jīng)在T800、T1000高性能碳纖維上取得成功突破，但T800、T1000仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，無法大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，或應(yīng)用。國(guó)產(chǎn)碳纖維實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化還需從原材料、設(shè)備、工藝控制等多方面配套技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)發(fā)展和完善。

此外，我國(guó)也已攻克高模高強(qiáng)系列碳纖維M50J、M55J、M60J石墨纖維實(shí)驗(yàn)室制備技術(shù)，雖實(shí)驗(yàn)室技術(shù)已接近國(guó)際先進(jìn)水平，但對(duì)于碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)以及碳纖維市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的打造上仍有漫漫長(zhǎng)路。

結(jié)語

提到碳纖的國(guó)產(chǎn)化的過往，老局長(zhǎng)想引用一篇來自2013年的《碳纖維供求狀況與生產(chǎn)成本》中的一句話“目前國(guó)內(nèi)碳纖維年消費(fèi)量在7000t~10000t左右。普通工業(yè)用途占比越30%，運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域占比60%以上。軍工領(lǐng)域使用的碳纖維100%靠進(jìn)口維持。”

2014年，48k大絲束碳纖維成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而大絲束碳纖維則是制造航空飛行器的關(guān)鍵材料。

2019年我國(guó)理論碳纖維運(yùn)營(yíng) 產(chǎn)能為26650噸，但實(shí)際由于開工不足、損耗率較高、計(jì)量方式有區(qū)別等因素，我國(guó)平 均實(shí)際開工率不足30%，實(shí)際產(chǎn)能不足8000噸，國(guó)內(nèi)總市場(chǎng)80%需要依靠進(jìn)口。

目前 我國(guó)碳纖維的銷量/產(chǎn)能比為45%，但離國(guó)外通常的65%-85%還有一定差 距。

碳纖維與其他產(chǎn)業(yè)不同，碳纖維作為一種先進(jìn)材料是軍、工、民三用，既是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，也是飛機(jī)、汽車骨架，還是球拍、魚竿的主體。

這也讓行業(yè)的發(fā)展有了保障，盡管今天我們?cè)诟叨颂祭w維領(lǐng)域仍受制于人，但幾十年前，我們可是完整經(jīng)歷了一趟碳纖維從無到有的研發(fā)之路。

免責(zé)聲明